Computer-Simulationen zum Adsorptionsverhalten polymerer Ketten auf rauen Oberflächen

Item type:	Thesis of the University of Regensburg (PhD)
Open Access Type:	Primary Publication
Date:	1 July 2003
Referee:	S. (PD Dr.) Kreitmeier
Date of exam:	3 June 2003
Institutions:	Physics
Keywords:	Adsorption , polymere Einzelkette , Kettendynamik , Trans-Gauche Flip , Konformationsumlagerung , polymeric single chain , chain dynamics , trans-gauche flip , change in conformation
Dewey Decimal Classification:	500 Science > 530 Physics
Status:	Published
Refereed:	Yes, this version has been refereed
Created at the University of Regensburg:	Yes
Item ID:	10099

Abstract (German)

In dieser Arbeit wurde das Adsorptionsverhalten von Polymeren mit Hilfe von Molekulardynamik-Simulationen untersucht. Ein wesentlicher Aspekt dieser Arbeit ist die verfeinerte Analyse der ketteninternen Dynamik. Speziell wird auf das Verhalten des Torsionswinkels - insbesondere auf Übergänge von einer bevorzugten in eine andere bevorzugte Lage im Torsionswinkel-Potential (Trans-Gauche Flips) - ...

Abstract (German)

In dieser Arbeit wurde das Adsorptionsverhalten von Polymeren mit Hilfe von
Molekulardynamik-Simulationen untersucht. Ein wesentlicher Aspekt dieser Arbeit
ist die verfeinerte Analyse der ketteninternen Dynamik.
Speziell wird auf das Verhalten des Torsionswinkels - insbesondere auf
Übergänge von einer bevorzugten in eine andere bevorzugte Lage
im Torsionswinkel-Potential (Trans-Gauche Flips) - geachtet.

Gefunden wurde ein Stabilisierungs-Effekt oberflächennaher Kettensequenzen
- der Crossover-Verknüpfungspunkt Effekt.
Im Anziehungsbereich der Oberfläche stellen Kettenüberkreuzungen
schwache Verknüpfungs- oder Netzwerkpunkte dar, da aufeinandergedrückte
Kettensequenzen nicht mehr ungehindert aneinander abgleiten können.

Die in dieser Arbeit verwendete Modell-Kette mit intramolekularer
van-der-Waals Wechselwirkung kann eine Energie-Minimierung auch durch Kontakte mit anderen
Kettenteilen erfahren - dies begünstigt den Crossover-Verknüpfungspunkt Effekt.
Darüberhinaus macht es das unterschiedliche Adsorptionsverhalten an glatten und
Stufen-Oberflächen verständlich.
Unter Hinzuziehung des Entropie-Arguments lässt sich erklären, weshalb
mit steigender Temperatur sich die Kette näher und flacher
an beide Oberflächen-Typen anlagert.

Um die Kettendynamik genauer zu untersuchen, wurde eine Halbkugel-Oberfläche modelliert.
Die Ergebnisse zeigen, dass unterhalb der experimentellen Glastemperatur von
Polyethylen keine nennenswerten Trans-Gauche Umlagerungen mehr auftreten.
Oberhalb der Glastemperatur kommt der Volumenausdehnungskoeffizient
freier Globulen dem experimentellen von Polyethylen sehr nahe.
Die adsorbierten Systeme weichen davon stärker ab, da die Auswirkung von
Verdichtung durch die Nähe der Oberfläche - vor allem im Hinblick auf
freies Volumen - ein Verhalten wie im bulk-Material nicht erwarten lassen.

Untersuchungen zum Volumen-Verhalten können so interpretiert werden,
dass sich ein Adsorptions-Szenario beschreiben lässt, dass sich
auf den Einbau freien Volumens beim Anlagerungsprozess stützt.
Dieses Szenario wird noch durch Lokalisierungserscheinungen
von Multi-Flip Prozessen in einem adsorbierten Globul verfeinert.
Multi-Flip Prozesse treten bevorzugt oberflächen- und vakuumnah auf.

Translation of the abstract (English)

This thesis investigates the adsorption behavior of polymers by means of molecular-dynamics simulations. A major topic of this work is the refined analysis of chain-internal dynamics. We focus on the behavior of the torsional angle - especially on its transitions from one preferred angle to another in the torsional potential (trans-gauche flips). It has been found a stabilizing effect of ...

Translation of the abstract (English)

This thesis investigates the adsorption behavior of
polymers by means of molecular-dynamics simulations.
A major topic of this work is the refined analysis of chain-internal dynamics.
We focus on the behavior of the torsional angle - especially on its
transitions from one preferred angle to another in the torsional potential
(trans-gauche flips).

It has been found a stabilizing effect of chain-sequences close to the
surface - the crossover-connection-point effect.

The chain model used in this work has included intramolecular van-der-Waals
interactions. Therefore contacts between crossing-over chain sequences can lead to
energy minimization - favorizing the crossover-connection-point effect.
In addition this explains different adsorption behavior at plain and
step-like surfaces.
Drawing on an entropic argument explains why the chain adsorbs
more flat and closer to both types of surface.

Investigating chain dynamics more closely, a cap-surface model has been designed.
It turns out that below experimental glass transition temperature no
trans-gauche transition process can be observed.
Above the glas transition temperature the volumetric expansion coefficient of free
globules comes close to the experimental one.
Adsorbed systems however show stronger deviations because of the implications of
thickening due to the closeness of the surface - especially with respect
to free volume.

Volume behavior leads to the outline of an adsorption scenario based on the
incorporation of free volume during the attachment process.
This scenario becomes refined by localization effects of multi-flip processes.
Multi-flip processes occur more likely close to the surface respectively
close to the vacuum.

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